劉文芝，劉昭斌

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 計算機工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104； 2.江蘇省現(xiàn)代企業(yè)信息化應(yīng)用支撐軟件工程技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 蘇州 215104) (*通信作者電子郵箱lwzsz@126.com)

基于WiMAX網(wǎng)絡(luò)終端的能耗降低算法

劉文芝1,2*，劉昭斌1,2

(1.蘇州市職業(yè)大學(xué) 計算機工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215104； 2.江蘇省現(xiàn)代企業(yè)信息化應(yīng)用支撐軟件工程技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 蘇州 215104) (*通信作者電子郵箱lwzsz@126.com)

針對全球微波互聯(lián)接入(WiMAX)網(wǎng)絡(luò)節(jié)能算法中因移動節(jié)點(MS)的信道質(zhì)量差別引起的空閑狀態(tài)而浪費能量這一不足，依據(jù)IEEE 802.16e標準第Ⅰ類節(jié)能模型給出了MS服務(wù)質(zhì)量目標的平均能耗(AEC)形式化描述，并提出一種基于信道質(zhì)量均衡的避免終端空閑狀態(tài)虛擬突發(fā)的節(jié)能調(diào)度(IAVB)算法。該算法采用將空閑狀態(tài)閾值和基于信道質(zhì)量的狀況選擇主移動終端相結(jié)合的策略，并完善了虛擬突發(fā)的結(jié)束條件，很好地避免了因未正確結(jié)束虛擬突發(fā)而導(dǎo)致的終端空閑狀態(tài)造成的能量浪費問題。仿真實驗表明，在節(jié)能方面IAVB算法比最長虛擬突發(fā)優(yōu)先(LVBF)算法性能平均提高了15%。實驗結(jié)果表明該算法減少了終端的空閑狀態(tài)，有效地降低了終端能耗，提高了WiMAX網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。

WiMAX;移動節(jié)點;空閑狀態(tài);虛擬突發(fā);信道質(zhì)量

0 引言

近年來，用戶對移動性數(shù)據(jù)的要求進一步提高，而基于IEEE 802.16e技術(shù)的全球微波互聯(lián)接入(Worldwide Interoperability for Microwave Access， WiMAX)能夠為非視距范圍內(nèi)的移動終端提供高效無線連接，與其他接入技術(shù)相比[1]，WiMAX具有投資少、傳輸速率高、不同種類數(shù)據(jù)傳輸、組網(wǎng)靈活、布置方便等一系列優(yōu)點，受到了業(yè)界的積極響應(yīng)和支持，但移動節(jié)點(Mobile Station, MS)主要依賴電池供電，同時也造成了巨大的能量消耗。面對巨大的能耗問題，WiMAX通信的節(jié)能技術(shù)已成為當前研究熱點[2]，能耗效率也成為評價WiMAX系統(tǒng)總體性能的重要指標。

據(jù)此IEEE 802.16e標準[3]提出休眠機制用來節(jié)約MS的能量消耗。協(xié)議中定義了3種節(jié)能類型：節(jié)能類型Ⅰ、節(jié)能類型Ⅱ和節(jié)能類型Ⅲ。在節(jié)能類型Ⅰ和節(jié)能類型Ⅱ中，MS均有3種狀態(tài)：睡眠狀態(tài)、監(jiān)聽狀態(tài)和清醒狀態(tài)。不同之處在于節(jié)能類型Ⅱ的監(jiān)聽窗口能夠處理一定量的數(shù)據(jù)包，而節(jié)能類型Ⅰ的監(jiān)聽窗口僅僅用來與基站(Base Station, BS)進行對話，它要處理數(shù)據(jù)必須切換到清醒狀態(tài)。節(jié)能類型Ⅲ只有一個睡眠窗口，當它結(jié)束時，MS立即進入清醒狀態(tài)。由IEEE 802.16e標準可知，節(jié)能類型Ⅰ適用于盡力而為(Best Effort, BE)和非實時可變速率(Not Real Time Variable Rate, NRT-VR)的業(yè)務(wù)，容許一定時延及其變化，實時性要求相對低。節(jié)能類型Ⅱ主要適用于非請求授予服務(wù)(Unsolicited Grant Service, UGS)和實時可變速率(Real Time Variable Rate, RT-VR)業(yè)務(wù)，對時延敏感。節(jié)能類型Ⅲ被推薦為多播連接和管理操作，如周期性尋呼等。

目前，如何調(diào)度激活實用的休眠類型，配置合理的休眠參數(shù)，建立合理的數(shù)學(xué)模型和實際模型，以及精辟的理論分析和完善的系統(tǒng)仿真成為研究熱點。本文是基于IEEE 802.16e無線城域網(wǎng)中點對多點的無線信道共享模式，以下行傳輸為例進行研究，帶寬以時隙來衡量，只討論終端上存在BE和NRT-VR這兩類非實時業(yè)務(wù)的情況。

1 相關(guān)工作

如何提高依靠電池供電的MS的能耗效率問題一直被廣泛關(guān)注，其中包括對節(jié)能調(diào)度算法的研究，但這些算法集中在802.11及傳感器網(wǎng)絡(luò)中[4-7]。

文獻[8]研究在長期演進計劃(Long Term Evolution, LTE)系統(tǒng)中通過創(chuàng)新非連續(xù)接收(Discontinuous Reception, DRX)機制保障終端功耗效率，通過設(shè)置不同的自適應(yīng)配置準則以提高DRX能耗的效率，且不增加額外的信令開銷；文獻[9]針對LTE系統(tǒng)研究了不同頻段和不同無線信道上數(shù)據(jù)傳輸與能耗的關(guān)系。通過基站對下行鏈路進行控制，進而實現(xiàn)終端的低功耗依然是當前研究的主要方法，文獻[10]針對傳統(tǒng)的基站調(diào)度算法只根據(jù)延遲、頻譜效率等進行算法設(shè)計，提出了在多用戶場景下考慮終端能耗的基站調(diào)度算法，并通過設(shè)計次優(yōu)算法以配合非連續(xù)發(fā)送(Discontinuous Transmission, DTX)機制，進而實現(xiàn)終端與基站功耗協(xié)同降低功耗的目標。文獻[11-12]則從下行的載波控制角度研究對終端能耗的影響，通過傳輸信道的調(diào)度與分配方面節(jié)約終端功耗，但這些節(jié)能機制與方法并不完全適用于802.16e網(wǎng)絡(luò)，尤其是針對能耗效率要求較高的特殊應(yīng)用場景，如隧道通信等。

目前，WiMAX網(wǎng)絡(luò)中提高終端能耗效率的研究主要包括對休眠模式的分析、改進及休眠參數(shù)選擇等，對休眠模式在實現(xiàn)過程中的參數(shù)設(shè)置提供了方法。文獻[13]考慮在負載低的情況下，針對節(jié)能類型Ⅰ提出一種新穎的節(jié)能算法，此算法將二倍增長睡眠窗機制改為冪函數(shù)增長睡眠窗口機制，通過理論分析和仿真實驗證明了提出的機制性能比線性增長睡眠窗口機制的性能要好。文獻[14]利用SPA(Simple Packing Algorithm)模型來學(xué)習(xí)頻譜感知的歷史信息從而對下一時刻的信道狀態(tài)進行預(yù)測，對下行鏈路子幀休眠模式進行了分析，但該算法窗口長度固定會導(dǎo)致一些空閑移動終端因得不到及時休眠而浪費能量這一不足。文獻[15]提出了一種基于資源預(yù)留的WiMAX Mesh 網(wǎng)絡(luò)支持服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)的微時隙動態(tài)分配算法，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)時隙狀態(tài)動態(tài)調(diào)整休眠參數(shù)，但將時隙僅分為可用和不可用兩種狀態(tài)，使各個參數(shù)性能不能達到最佳。文獻[16]率先研究了應(yīng)用于802.16e網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能調(diào)度算法，是研究終端休眠并達到功耗效率提升的經(jīng)典方法。該文提出了以虛擬突發(fā)方式為MS發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)度思想，算法的基本思想如圖1所示。在每個虛擬突發(fā)開始時(一個虛擬突發(fā)為一組連續(xù)的時隙)，從處于清醒狀態(tài)的MS中選擇一個MS為主移動終端，其他所有處于清醒狀態(tài)的MS均為次移動終端。在進行時隙分配時，主移動終端比次移動終端具有更高的優(yōu)先級，即除了為保證次移動終端的服務(wù)質(zhì)量而必須為其分配的時隙外，虛擬突發(fā)中的其他所有時隙均分配給主移動終端，因此，主移動終端基本上占用了一個虛擬突發(fā)的所有帶寬資源，其數(shù)據(jù)得到了連續(xù)的發(fā)送。當前虛擬突發(fā)結(jié)束后，主移動終端進入休眠，選擇一個新的主移動終端，開始新的虛擬突發(fā)。在不影響其他MS服務(wù)質(zhì)量的前提下，為每個MS一次傳輸盡可能多的數(shù)據(jù)，使MS在一次傳輸后可以休眠較長的時間。該思想可以明顯提高802.16e網(wǎng)絡(luò)的能耗效率，但文獻[16]基于該調(diào)度思想給出的最長虛擬突發(fā)優(yōu)先(Longest Virtual Burst First, LVBF)算法不能有效避免MS的空閑狀態(tài)，從而無法減少由于MS的空閑狀態(tài)造成的能量浪費；未考慮實際環(huán)境中不同MS的信道質(zhì)量差別，可能將時隙分配給信道質(zhì)量差的MS，從而導(dǎo)致因傳輸錯誤而引起的空閑狀態(tài)，增大了MS的能耗。

圖1 虛擬突發(fā)分配方式

綜合上述可看到，這些算法尚存在一些問題，影響了算法對能耗效率的實用性。主要表現(xiàn)在：

1)由平均反應(yīng)時延公式(1)可知(這里F(t)為分布時間函數(shù)，P(τ)為能量消耗，MS醒來的時刻為({xk,k≥0}，且x0=0)[17]，MS休眠就必然引起數(shù)據(jù)的時延；反之，如果要減少數(shù)據(jù)的時延，就必須減少休眠時間，則會增加MS能量消耗。

(1)

LVBF算法沒有權(quán)衡考慮不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)計對能量消耗和時延這兩種性能的不同要求，LVBF只是單方面減少了MS的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)，并在一定程度上增加了MS的平均休眠時間，從而增加了數(shù)據(jù)的時延。

2)次移動終端不能進入休眠，因此不能有效避免終端的空閑狀態(tài)，從而無法減少由于空閑狀態(tài)造成的能量浪費。雖然LVBF算法通過突發(fā)傳輸?shù)姆绞皆谶B續(xù)時隙內(nèi)為主移動終端發(fā)送數(shù)據(jù)，但為保證所有MS的服務(wù)質(zhì)量，LVBF算法不能像最優(yōu)方法那樣，在為某一MS傳輸數(shù)據(jù)的過程中，讓其他MS處于休眠狀態(tài)。而是在每個虛擬突發(fā)中，主移動終端和次移動終端均處于清醒狀態(tài)。因為LVBF算法認為，次移動終端僅被保證最小的數(shù)據(jù)速率，不能進入休眠狀態(tài)。然而，本文經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，在某些情況下，次移動終端是可以進入休眠的。LVBF算法未讓滿足休眠條件的次移動終端進入休眠，必將造成不必要的空閑時間，從而導(dǎo)致能量的浪費。

3)未考慮不同MS的信道質(zhì)量差別，使得傳輸錯誤增加，導(dǎo)致MS能耗增大。實際環(huán)境中，不同MS在相同時刻的信道質(zhì)量可能不同。由于LVBF算法未考慮MS信道質(zhì)量的差別，因此可能將時隙分配給信道質(zhì)量較差的MS，從而引起傳輸錯誤，使發(fā)往MS的數(shù)據(jù)包丟失，增加了MS處于空閑狀態(tài)的時間，浪費了MS的能量。

為解決以上問題，本文提出一種有效避免MS空閑狀態(tài)的節(jié)能調(diào)度(Idle-state Avoidance and Virtual Burst, IAVB)算法。IAVB算法基于虛擬突發(fā)的思想，結(jié)合信道質(zhì)量選擇應(yīng)獲得連續(xù)傳輸時隙的MS，其他MS一旦符合休眠條件則進入休眠狀態(tài)，在保證MS服務(wù)質(zhì)量的前提下，避免了不必要的空閑時間。

2 系統(tǒng)模型與問題描述

2.1 系統(tǒng)模型

假設(shè)一個具有多時隙的WiMAX網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以用圖G=(V,E)來表示，其中V代表節(jié)點集，E表示網(wǎng)絡(luò)中有向邊集合。其中，V={v1,v2,…,vn,BS}表示系統(tǒng)中含有n個MS∈{v1,v2,…,vn}節(jié)點和1個BS節(jié)點，有向鏈路集E={e1,e2,…,em}表示網(wǎng)絡(luò)中有向邊集合，e(vi,vj)∈E，當且僅當d(i,j)≤D，i為發(fā)送方，j為接收方，D為通信半徑，表示節(jié)點i和j之間的歐氏距離。該系統(tǒng)工作于周期同步時隙模式，其中每個周期包含T個時隙。假設(shè)有K條正交的無線信道且每條信道的帶寬是qi，K(vi)表示節(jié)點vi的射頻數(shù)量。該系統(tǒng)工作于周期同步時隙模式，每個時隙t=1,2,…,T中每個(鏈路，信道)對是活動的，在不同時隙，將通信業(yè)務(wù)分配給活動的時序編號N={0,1,…,T-1}中。Pw表示處于清醒狀態(tài)的vi在每個時隙上的平均能耗，Prw表示vi從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)換到清醒狀態(tài)的平均能耗，Pwr表示vi從清醒狀態(tài)轉(zhuǎn)化到休眠狀態(tài)的能耗，Pr處于休眠狀態(tài)時的能耗[18-19]。

假設(shè)MS節(jié)點初始帶寬請求Q={q1,q2,…,qn}，可求得MS節(jié)點vi的請求帶寬為：

(2)

由帶寬需求與正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)碼元及傳輸速率的對應(yīng)關(guān)系[20]，各個鏈路在每幀中的時隙需求為：

(3)

其中：h為OFDM碼元間的保護間隔，bj表示各個OFDM碼元中傳輸?shù)谋忍財?shù)，Tf為幀持續(xù)時間。

基于以上分析和假設(shè)可知，一個vi的能耗由其處于清醒狀態(tài)的時間、從休眠狀態(tài)到清醒狀態(tài)的轉(zhuǎn)換次數(shù)、可用帶寬決定，因此，vi在一段時間T′內(nèi)(T′足夠長)的總能耗Pi可以表示為：

(4)

其中：Di是vi在時間T內(nèi)處于清醒狀態(tài)的總時隙數(shù)，Li表示vi從休眠狀態(tài)轉(zhuǎn)化到清醒狀態(tài)的次數(shù)。降低MS能耗的調(diào)度算法的目標是在保證每個MS服務(wù)質(zhì)量的同時，最小化所有MS的平均能耗(在足夠長的時間T′內(nèi))。

2.2 研究問題

本文以最小數(shù)據(jù)速率作為MS的服務(wù)質(zhì)量要求，因此節(jié)能調(diào)度算法的目標可以形式化為：

(5)

很顯然，為了最小化MS的平均能耗，最優(yōu)的方法為：對于每個時隙，只有一個MS處于活動狀態(tài)，并在連續(xù)的時隙內(nèi)一次傳輸完該MS的所有數(shù)據(jù)，然后令該MS進入休眠。該方法可以最小化MS處于清醒狀態(tài)的時間及狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)，但不能滿足式(5)給出的約束條件，即不能滿足所有MS的服務(wù)質(zhì)量要求。因此，本文需要設(shè)計的調(diào)度算法，應(yīng)在滿足MS服務(wù)質(zhì)量要求的同時降低能耗，而不是僅考慮如何最小化MS的能耗。

3 IAVB調(diào)度算法

針對上述討論算法存在的問題，IAVB算法主要從以下3個方面進行解決：1)引入空閑時間閾值的概念，根據(jù)空閑時間閾值給出終端的休眠條件，使?jié)M足休眠條件的終端及時進入休眠，避免了終端不必要的空閑狀態(tài)；2)結(jié)合信道質(zhì)量狀況選擇主移動終端，從而減少了因傳輸錯誤導(dǎo)致的終端空閑狀態(tài)；3)完善虛擬突發(fā)的結(jié)束條件，避免因未正確結(jié)束虛擬突發(fā)而導(dǎo)致的終端空閑狀態(tài)。

3.1 避免終端空閑狀態(tài)

WiMAX網(wǎng)絡(luò)中鏈路E與時隙N的映射關(guān)系可以使用矩陣I表示。若鏈路在時序中傳輸

(6)

由于MS處于空閑狀態(tài)時是在浪費能量，因此，若MS能夠在處于清醒狀態(tài)時一直收發(fā)數(shù)據(jù)，一旦無數(shù)據(jù)傳輸則進入休眠狀態(tài)，便可以避免處于空閑狀態(tài)時的能耗；但由于MS在休眠狀態(tài)與清醒狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換也需要消耗能量，如果MS處于空閑狀態(tài)的時間比較短，導(dǎo)致狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能耗大于空閑狀態(tài)的能耗，則MS不必進入休眠狀態(tài)。因此，MS進入休眠狀態(tài)的條件是MS預(yù)期處于空閑狀態(tài)的能耗大于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能耗，即：

(7)

(8)

這里Tm=Prw/Pr定義為空閑時間閾值。

綜上，MS的休眠條件也可表達為：鏈路最終分配的時隙的預(yù)期時間大于Tm，同時還要使分配給MS鏈路的時隙數(shù)與其請求的相符。

若次移動終端處于空閑狀態(tài)的預(yù)期時間大于Tm而不進入休眠，將造成不必要的能耗，因此，IAVB算法在每次為次移動終端分配時隙后均計算該終端預(yù)期處于空閑狀態(tài)的時間，判斷次移動終端是否需要進入休眠。以下將給出具體的判斷方法。

(9)

(10)

由式(10)推導(dǎo)出：

(11)

將式(9)代入式(11)，得次移動終端vi在一次時隙分配后處于空閑狀態(tài)的預(yù)期時間為：

(12)

基于以上分析，次移動終端vi進入休眠狀態(tài)的條件為：

Ts>Tm

(13)

(14)

綜上所述，若像LVBF算法那樣，所有的次移動終端無論在什么情況下均處于清醒狀態(tài)，必將造成能量的浪費。所以，IAVB算法每次為次移動終端分配完時隙后，均根據(jù)式(12)計算其處于空閑狀態(tài)的預(yù)期時間，若滿足式(13)定義的休眠條件，則使次移動終端進入休眠，因此，IAVB算法減少了終端處于空閑狀態(tài)的時間，解決了LVBF算法中不必要的空閑狀態(tài)造成的能量浪費問題，從而進一步降低了終端能耗。

3.2 結(jié)合信道質(zhì)量選擇主移動終端

(15)

(16)

基于以上分析，IAVB算法選擇主移動終端vk的策略可表示為：

(17)

其中：E′代表在每個突發(fā)開始時處于清醒狀態(tài)的MS的集合，j(j∈E′)為處于清醒狀態(tài)的MS的索引。式(17)描述的策略結(jié)合MS當前的信道質(zhì)量狀況，更準確地選擇出可以在最短的時間內(nèi)達到休眠最低速率要求的終端作為主移動終端，解決了上述討論算法中未考慮終端信道質(zhì)量的問題。由于選擇了當前信道質(zhì)量較好的MS進行數(shù)據(jù)傳輸，因此減少了傳輸錯誤，從而減少了因數(shù)據(jù)包丟失而導(dǎo)致的終端空閑時間，降低了終端能耗。

3.3 虛擬突發(fā)結(jié)束條件

ξ≥ε

(18)

其中，ε是系統(tǒng)參數(shù)，它決定如何在終端的業(yè)務(wù)平均時延和能耗效率之間作折中[22]。

除式(18)所定義的條件外，IAVB算法還針對實際系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的兩種特殊情況定義了額外的虛擬突發(fā)結(jié)束條件：1)當ξ尚小于系統(tǒng)參數(shù)ε時，若主移動終端主動發(fā)起休眠請求，則當前虛擬突發(fā)結(jié)束；2)當系統(tǒng)中MS數(shù)量較多，系統(tǒng)負載較重時，可能出現(xiàn)主移動終端獲得的數(shù)據(jù)速率尚不滿足其進入休眠狀態(tài)的條件，就出現(xiàn)ξ≥ε的情況。此時不能立即結(jié)束該虛擬突發(fā)，而要等主移動終端達到可以休眠的數(shù)據(jù)速率后再結(jié)束當前突發(fā)；否則，主移動終端在虛擬突發(fā)結(jié)束后仍然不能進入休眠，而是處于空閑狀態(tài)，造成了能量的浪費，因此，虛擬突發(fā)結(jié)束的必要條件為主移動終端的當前速率不小于其可以休眠的最低速率要求，即：

(19)

IAVB算法通過綜合考慮式(18)和式(19)所定義的條件來決定是否結(jié)束一個虛擬突發(fā)，避免了因?qū)嶋H系統(tǒng)中的特殊情況而導(dǎo)致的終端空閑狀態(tài)。

3.4 IAVB算法流程

(20)

基于以上討論，給出IAVB調(diào)度算法的步驟如下：

1)根據(jù)式(17)選擇主移動終端，開始一個虛擬突發(fā)。其他所有處于清醒狀態(tài)的移動終端為次移動終端。

2)若E″不為空，則根據(jù)式(20)選擇次移動終端via，將當前時隙分配給via；否則，將當前時隙分配給主移動終端。

3)根據(jù)步驟2)中的調(diào)度結(jié)果，更新所有終端上的數(shù)據(jù)傳輸速率。若次移動終端的當前速率大于它可以休眠的最低速率要求，則通知該終端進入休眠，休眠時間根據(jù)式(12)計算；若一個處于休眠狀態(tài)的終端的當前速率小于其最小數(shù)據(jù)速率要求，則喚醒該終端，將其加入集合E″。

4)如果當前主移動終端主動發(fā)起休眠請求進入休眠狀態(tài)，則轉(zhuǎn)到步驟1)開始一個新的虛擬突發(fā)，否則執(zhí)行步驟5)。

5)如果式(18)與式(19)中的條件同時滿足，則結(jié)束當前虛擬突發(fā)，主移動終端進入休眠狀態(tài)，請求的休眠時間根據(jù)式(12)計算，并轉(zhuǎn)到步驟1)開始一個新的虛擬突發(fā)；否則執(zhí)行步驟2)開始當前虛擬突發(fā)中的下一個時隙的分配。

4 仿真實驗與分析

本章將通過仿真方式驗證和分析IAVB調(diào)度算法的性能及系統(tǒng)參數(shù)對算法性能的影響。仿真場景包括一個BS和可變數(shù)量的MS。信道衰變模型通過8狀態(tài)的馬爾可夫鏈來模擬[23-24]。MS和BS間的每一個信道都對應(yīng)一個馬爾可夫過程，以控制信道的狀態(tài)轉(zhuǎn)移。vi(i=1,2,…,n)與BS之間的信道具有相同的馬爾可夫鏈參數(shù)，即相同的傳輸概率矩陣。所有的信道均為獨立同分布，即它們有相同的馬爾可夫傳輸概率矩陣并彼此無關(guān)。系統(tǒng)總信道容量C為5 Mb/s。BS上產(chǎn)生滿足泊松分布的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其平均速率為業(yè)務(wù)的最小數(shù)據(jù)速率加上網(wǎng)絡(luò)層和MAC層的系統(tǒng)開銷。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的最小數(shù)據(jù)速率滿足[10 kb/s，40 kb/s]的正態(tài)分布。由此可以看出，連續(xù)時間馬爾可夫鏈能夠很好地對獨立同分布的WiMAX網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進行描述，建立系統(tǒng)通用性方程并給出了系統(tǒng)的一般性解法，通過數(shù)值仿真對系統(tǒng)的能耗、平均響應(yīng)延遲、狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)、次移動終端空閑時隙數(shù)以及空閑時間閾值對算法能耗效率影響等參數(shù)之間的關(guān)系。

4.1 IAVB算法的能耗效率

本實驗IAVB、IEEE 802.16e標準和LVBF的初始睡眠窗口和最終睡眠窗口是2和32幀。本文利用平均能耗(Average Energy Consumption, AEC)來衡量能耗效率。

圖2給出IAVB算法、LVBF算法和IEEE 802.16e標準在系統(tǒng)中存在不同數(shù)量的MS情況下的能耗效率值(每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換消耗50個時隙單位的能量，ε取0.01)。由仿真結(jié)果可以看出，IAVB算法、LVBF算法在節(jié)能方面明顯優(yōu)于IEEE 802.16e標準，IAVB比LVBF算法提高了15%左右。主要原因在于，IAVB算法通過使?jié)M足休眠條件的次移動終端及時進入休眠狀態(tài)及結(jié)合信道質(zhì)量選擇主移動終端等方法，減少了終端處于空閑狀態(tài)的時間，使得終端的空閑時間遠小于LVBF算法中終端的空閑時間，從而減小了終端處于空閑狀態(tài)時浪費的能量，提高了系統(tǒng)的能耗效率。

圖3顯示的是3種算法對平均響應(yīng)延遲的影響。IAVB的平均響應(yīng)延遲均低于IEEE 802.16 e標準和LVBF算法。而且隨著時間的增加IAVB響應(yīng)延遲顯著低于其他兩種，更省電。IAVB和LVBF算法的剩余電池能量分別為8 824.4 s和9 020.5 s。在初始階段IAVB的平均響應(yīng)延遲低于IEEE 802.16e標準，而優(yōu)于LVBF算法，但隨著時間的增加延遲也會增加，這是因為IAVB和LVBF處理數(shù)據(jù)包要多于IEEE 802.16e標準，因此，減少睡眠時間間隔的結(jié)果以減少能源消耗。相比IEEE 802.16e和LVBF算法的6 995.8 s、7 151.5 s，IAVB的電池壽命已經(jīng)擴展到7 590.3 s。

圖2 3種算法中的MS對能耗的影響

圖3 3種算法對平均響應(yīng)延遲的影響

圖4給出IAVB算法與LVBF算法在完成2×105個時隙的調(diào)度過程中所有終端的空閑時間之和(以時隙數(shù)衡量)?？梢钥闯?，IAVB算法中空閑時隙總數(shù)在1×103到5×103之間，而LVBF算法中空閑時隙總數(shù)在2×104到2×105之間，遠遠大于IAVB算法中的空閑時隙數(shù)。

圖4 空閑時隙數(shù)

IAVB算法中終端空閑時間的減少是以狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)的增加為代價的。圖5給出IAVB算法與LVBF算法在完成2×105個時隙的調(diào)度過程中所有終端的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)之和。由圖5可見，IAVB算法的狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)平均為LVBF算法的兩倍左右，但分析式(14)可知，只要符合休眠條件，空閑時間減少所降低的能耗比狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)增加而增大的能耗要多，所以總體來看，空閑時間減少還是帶來了系統(tǒng)總能耗的降低。

圖6和圖7說明了空閑時間閾值對平均能耗和響應(yīng)延遲的影響。IAVB的平均能耗優(yōu)于LVBF和IEEE 802.16e標準協(xié)議是因為IAVB使用一個基于MS信道質(zhì)量狀況策略的自適應(yīng)的空閑閾值，而LVBF只考慮剩余電池壽命來設(shè)置空閑閾值，IEEE 802.16e標準的空閑閾值固定只有10幀。與IEEE 802.16e標準協(xié)議比較IAVB和LVBF算法都具有較低的能源消耗，但隨著時間增加3種算法收斂到相同的平均能耗。IAVB算法的能耗與LVBF算法的能耗之差越來越小，當Tm接近8 000時，IAVB算法的能耗降低到與LVBF算法的能耗基本相同。這是由于Tm越大，滿足休眠條件的次移動終端的數(shù)量就越少；即使次移動終端滿足休眠條件進入休眠，它所能節(jié)省的電量也減少(由于狀態(tài)轉(zhuǎn)換的耗電量增加)，因此Tm越大，IAVB算法相對LVBF算法的性能提高越小。

圖5 狀態(tài)轉(zhuǎn)換次數(shù)

圖6 Tm對平均能耗的影響

圖7 Tm對平均響應(yīng)延遲的影響

圖7中IAVB的平均響應(yīng)延遲小于其他兩種算法，這意味著IAVB調(diào)整其閑置閾值相適應(yīng)信道質(zhì)量可允許接收更多的數(shù)據(jù)包，從而只有很少的消息等待到下一個監(jiān)聽窗口，提高了信道的利用率。

4.2 IAVB算法對MS最小數(shù)據(jù)速率的保證

圖8顯示了隨著系統(tǒng)負載增加，IAVB算法對不同MS的最小數(shù)據(jù)速率要求的保證情況。仿真中選擇了3個具有不同最小數(shù)據(jù)速率要求的MS為例進行實驗。其中，v1的最小數(shù)據(jù)速率要求為16 kb/s，v2為24 kb/s，v3為32 kb/s。從圖8可以看出，3個MS的數(shù)據(jù)速率始終大于其最小數(shù)據(jù)速率要求，并隨著系統(tǒng)中MS總數(shù)量的增加而降低，將一直降低到接近其預(yù)定義的最小數(shù)據(jù)速率。這是由于IAVB算法會在每個時隙都檢查是否有MS的服務(wù)質(zhì)量要求沒有滿足，并盡可能快地為未滿足服務(wù)質(zhì)量要求的MS分配時隙，因此只要系統(tǒng)未超負荷，IAVB算法便可以保證MS的最小數(shù)據(jù)速率要求。

圖8 IAVB算法對最小數(shù)據(jù)速率的保證

5 結(jié)語

針對IEEE 802.16e網(wǎng)絡(luò)中移動節(jié)點因信道質(zhì)量差別引起的時隙分配效率低、無法減少由于空閑狀態(tài)造成的能量浪費和數(shù)據(jù)包丟失的服務(wù)質(zhì)量差等問題，本文根據(jù)將空閑時間閾值和基于信道質(zhì)量的狀況選擇主移動終端相結(jié)合的策略提出了一種基于信道質(zhì)量均衡的避免終端空閑狀態(tài)虛擬突發(fā)的節(jié)能調(diào)度算法。該算法有以下特點：任何信道分配都必須符合各鏈路時隙數(shù)盡可能接近帶寬請求值，并通過時隙復(fù)用獲得最短的調(diào)度周期；最小化MS的平均能耗，在它進入休眠之前連續(xù)的時隙內(nèi)一次傳輸完該MS的所有數(shù)據(jù)；考慮了節(jié)點規(guī)模變大引起的節(jié)點間通信延遲問題，引入空閑時間閾值；完善虛擬突發(fā)的結(jié)束條件與信道質(zhì)量選擇主移動終端的動態(tài)負載相結(jié)合的平衡策略。實驗將本文算法與IAVB和IEEE P802.16算法進行了對比分析，驗證了本文算法對802.16e網(wǎng)絡(luò)中MS的節(jié)能調(diào)度具有良好的性能，也增大了隨機接入信道的用戶容量，提高了WiMAX網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。下一步的工作將考慮終端上不同類型業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求來完善算法設(shè)計。

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This work is partially supported by the National Natural Science Foundation of China (61472211, 61672372).

LIUWenzhi, born in 1967, M. S., associate professor. Her research interests include wireless communication, sensor network.

LIUZhaobin, born in 1965, M. S., professor. His research interests include context-aware of computing, wireless sensor network.

Energyconsumption-reducingalgorithmbasedonWiMAXnetworks

LIU Wenzhi1,2*, LIU Zhaobin1,2

(1.SchoolofComputerEngineering,SuzhouVocationalUniversity,SuzhouJiangsu215104,China;2.JiangsuProvinceSupportSoftwareEngineeringR&DCenterforModernInformationTechnologyApplicationinEnterprise,SuzhouJiangsu215104,China)

To overcome the shortcoming in the energy-saving algorithm of WiMAX networks that energy is unnecessarily wasted by idle mobile stations because of channel quality difference, according to the energy-saving class Ⅰ of the IEEE 802.16e standard, the formalization of Average Energy Consumption (AEC) was given for Mobile Station (MS) Quality of Service (QoS), and an algorithm of Idle-state Avoidance and Virtual Burst (IAVB) based on channel quality balancing was proposed. In this algorithm, the strategy combining a threshold of idle-state with choosing the main mobile terminal based on channel quality balancing was adopted, and the end condition of virtual-burst was perfected to avoid the energy waste between idle-state nodes when the virtual-burst did not end properly. The simulation results show that the energy saving performance of IAVB algorithm is 15% higher than that of the Longest Virtual Burst First (LVBF) algorithm. The experimental results show that the proposed algorithm can control the energy consumption of idle-state and improve the resource utilization efficiency of the WiMAX network.

WiMAX; Mobile Station (MS); idle state; virtual burst; channel quality

TN929.5; TP393.07

:A

2017- 02- 05;

:2017- 03- 06。

國家自然科學(xué)基金資助項目(61472211, 61672372)。

劉文芝(1967—)，女，湖南衡陽人，副教授，碩士，CCF會員，主要研究方向：無線通信、傳感網(wǎng)絡(luò)； 劉昭斌(1965—)，男，山東威海人,教授，碩士，CCF高級會員，主要研究方向：感知計算、無線傳感網(wǎng)。

1001- 9081(2017)07- 1866- 07

10.11772/j.issn.1001- 9081.2017.07.1866